一種寬帶微帶單脈沖陣列天線設(shè)計(jì)

李貴棟

(中國空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽 471009)

0 引 言

單脈沖雷達(dá)天線能產(chǎn)生和波束與2個(gè)差波束,和波束可以探測目標(biāo)的距離和進(jìn)行距離跟蹤,差波束可以探測目標(biāo)的方位角和俯仰角信息并進(jìn)行角跟蹤[1]。單脈沖雷達(dá)比較和差波束收到的信號即可獲得目標(biāo)位置信息[2],具有跟蹤速度快、精度高、作用距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢。因此單脈沖雷達(dá)在精密跟蹤和精確制導(dǎo)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[3]。

單脈沖天線多采用波導(dǎo)縫隙陣天線或微帶陣列天線形式,單脈沖波導(dǎo)縫隙陣天線物理尺寸較大,設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,加工精度要求高,難以與其他元件集成,較大限制了實(shí)際應(yīng)用[4-5]。微帶陣列天線由于成本低、剖面低、質(zhì)量輕、增益高、易集成、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)在單脈沖天線中廣泛應(yīng)用。典型的微帶天線阻抗帶寬很窄,約0.7%～7%,拓展微帶天線阻抗帶寬的主要方法一般有降低等效諧振電路的Q值,附加寄生貼片或加載U型縫隙增加等效電路諧振頻點(diǎn),采用電磁耦合饋電方式,選用對數(shù)周期陣或者行波陣等[2]。

本文采用帶狀線口徑耦合饋電和附加寄生貼片方式共同拓展微帶天線阻抗帶寬,微帶天線單元通過4個(gè)一分四帶狀線T型結(jié)不等功分網(wǎng)絡(luò)連接組成微帶陣列天線。采用微帶三分支定向耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二維和差網(wǎng)絡(luò),與4×4微帶陣列天線級聯(lián)后組成微帶單脈沖陣列天線。本文設(shè)計(jì)的微帶單脈沖陣列天線工作帶寬1.2 GHz,和差端口電壓駐波比小于2,最大增益18.4 dB,副瓣電平≤-17 dB,差零深≤-23 dB。

1 微帶天線單元設(shè)計(jì)

1.1 理論設(shè)計(jì)

微帶天線單元結(jié)構(gòu)為口徑耦合饋電雙層貼片結(jié)構(gòu),其中上層為寄生貼片,下層為驅(qū)動(dòng)貼片,微帶天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。微帶天線單元通過開在地板上的公共口徑來形成饋線與貼片間的電磁耦合,饋電層與輻射層被地板完全隔開,避免了饋電網(wǎng)絡(luò)的輻射干擾,口徑耦合饋電一般采用中心饋電,因?yàn)樵谥行酿侂娗闆r下,貼片的激勵(lì)是對稱的,可以減少高次模的激勵(lì),形成非常好的極化純度[6]。微帶天線單元利用開在地板上的口徑和上下層貼片實(shí)現(xiàn)多調(diào)諧來拓展天線帶寬。為抑制后向輻射,采用帶狀線口徑耦合饋電代替微帶線口徑耦合饋電,但口徑的后向輻射能量被束縛在2層金屬之間,容易引起高次模,惡化天線性能,因此需要在口徑層金屬接地板和下層金屬接地板之間加載金屬化過孔,用于減小高次模的影響[7]。

圖1 微帶天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)傳輸線模型對矩形微帶天線進(jìn)行理論分析,由施耐德得出的經(jīng)驗(yàn)公式,介質(zhì)有效介電常數(shù)εe為:

(1)

式中:εr為介質(zhì)基板的介電常數(shù);h為介質(zhì)基板的厚度;W為微帶天線貼片的寬度。

微帶天線單元貼片諧振長度L可以用以下公式計(jì)算:

(2)

式中:c表示光速;f0為微帶天線工作的中心頻率;εe為介質(zhì)有效介電常數(shù);ΔL為邊緣效應(yīng)引起的延伸長度,可用哈默斯塔德給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

(3)

為了有效輻射,貼片的最佳寬度為:

(4)

1.2 微帶天線單元模型

微帶天線單元包括上層寄生貼片、下層驅(qū)動(dòng)貼片、刻有 H形耦合口徑的上層金屬接地板、帶狀線饋線、下層金屬接地板和相應(yīng)的介質(zhì)基板,其中2層金屬接地板之間的加載有金屬化過孔。微帶天線單元模型如圖2所示。微帶天線單元共有4層介質(zhì)基板,從上到下,第1層、第2層分別采用厚度1.575 mm和3.175 mm介電常數(shù)2.2的RP220基板,第3層、第4層均采用厚度0.508 mm、介電常數(shù)2.94的RA300基板。4層介質(zhì)基板通過半固化片粘接后壓合成多層板。

圖2 微帶天線單元模型圖

1.3 微帶天線單元仿真結(jié)果

采用ANSYS HFSS對微帶天線單元進(jìn)行仿真分析,HFSS對微帶天線單元電壓駐波比(VSWR)的仿真結(jié)果如圖3所示。由VSWR曲線可以看出,f0-0.6 GHz～f0+0.52 GHz頻帶范圍內(nèi)電壓駐波比小于2,阻抗帶寬1.12 GHz。圖4為中心頻點(diǎn)f0處的微帶天線單元方向圖?？芍?微帶天線單元增益6.98 dB,φ=0°時(shí)面半功率波束寬度為105.2°,φ=90°時(shí)面半功率波束寬度為73.4°。

圖3 微帶天線單元VSWR仿真結(jié)果

圖4 微帶天線單元中心頻點(diǎn)方向圖仿真結(jié)果

2 和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.1 分支定向耦合器設(shè)計(jì)

分支定向耦合器由主線、副線及耦合分支線組成[8],耦合分支線長度為1/4波長,兩分支定向耦合器的帶寬一般限制在10%～20%,可通過多節(jié)級聯(lián)增加分支線的枝節(jié)數(shù)增加帶寬。本文采用三分支定向耦合器,模型如圖5所示。

圖5 三分支定向耦合器模型圖

2.2 二維和差網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

將4個(gè)三分支定向耦合器與90°相位延遲線連接組成二維和差網(wǎng)絡(luò),模型如圖6所示。二維和差網(wǎng)絡(luò)分布在四象限的4個(gè)輸入端口,由微帶線轉(zhuǎn)同軸端口,以便與微帶陣列天線連接,對角差端口采用50 Ω貼片電阻匹配吸收,和、方位差與俯仰差三端口可與表貼超小型推入式(SMP)連接器焊接。

圖6 二維和差網(wǎng)絡(luò)模型圖

3 微帶單脈沖陣列天線設(shè)計(jì)及測試

為了實(shí)現(xiàn)高增益,設(shè)計(jì)成4×4的微帶陣列天線,因?yàn)橐c和差網(wǎng)絡(luò)對接形成和差波束,所以需要分區(qū)成4塊2×2陣列。2×2陣列采用帶狀線一分四T型結(jié)功分網(wǎng)絡(luò)饋電,為了減小副瓣,采用不等功分網(wǎng)絡(luò),理論功分比為1∶0.44∶0.44∶0.2。一分四T型結(jié)不等功分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。將4塊2×2陣列在HFSS中建模,模型如圖8所示。

圖7 一分四T型結(jié)不等功分網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖8 4×4微帶陣列天線模型圖

4塊2×2陣列與二維和差網(wǎng)絡(luò)通過絕緣子連接組成微帶單脈沖陣列天線,并在HFSS中進(jìn)行仿真,微帶單脈沖陣列天線電壓駐波比(VSWR)仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9可知,和端口(sum)電壓駐波比在f0-0.46 GHz～f0+0.75 GHz頻帶范圍內(nèi)小于2,俯仰差端口(d1)電壓駐波比在f0-0.43 GHz～f0+0.61 GHz頻帶范圍內(nèi)小于2,方位差端口(d2)電壓駐波比在f0-0.52 GHz～f0+0.75 GHz頻帶范圍內(nèi)小于2。

圖9 微帶單脈沖陣列天線VSWR仿真結(jié)果

HFSS仿真的微帶單脈沖陣列天線和差方向圖如圖10～圖15所示。由圖可知,f0-0.75 GHz頻點(diǎn)和口增益16.7 dB,副瓣電平-17 dB,俯仰差零深-23 dB,方位差零深-36.2 dB;f0頻點(diǎn)和口增益17.4 dB,副瓣電平-21 dB,俯仰差零深-43.2 dB,方位差零深-43.3 dB;f0+0.75 GHz頻點(diǎn)和口增益 18.4 dB,副瓣電平-19.4 dB,俯仰差零深-29.2 dB,方位差零深-47.6 dB。

圖10 f0-0.75 GHz頻點(diǎn)俯仰面和差方向圖

圖11 f0-0.75 GHz頻點(diǎn)方位面和差方向圖

圖12 f0頻點(diǎn)俯仰面和差方向圖

圖13 f0頻點(diǎn)方位面和差方向圖

圖14 f0+0.75 GHz頻點(diǎn)俯仰面和差方向圖

圖15 f0+0.75 GHz頻點(diǎn)方位面和差方向圖

經(jīng)過加工后得到的微帶單脈沖陣列天線的實(shí)物如圖16所示,輸出采用3個(gè)表貼SMP接頭,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對微帶單脈沖陣列天線三端口電壓駐波比(VSWR)進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖17所示。由圖可知,和端口(sum)電壓駐波比在f0-0.48 GHz～f0+0.75 GHz頻帶范圍內(nèi)小于2,俯仰差端口(d1)電壓駐波比在f0-0.45 GHz～f0+0.75 GHz頻帶范圍內(nèi)小于2,方位差端口(d2)電壓駐波比在f0-0.65 GHz～f0+0.75 GHz頻帶范圍內(nèi)小于2。綜上所述,三端口電壓駐波比在f0-0.45 GHz～f0+0.75 GHz頻帶范圍內(nèi)均小于2,工作帶寬1.2 GHz。

圖16 微帶單脈沖陣列天線實(shí)物圖

圖17 微帶單脈沖陣列天線VSWR測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文采用帶狀線口徑耦合饋電和附加寄生貼片方式共同拓展微帶天線阻抗帶寬,采用微帶三分支定向耦合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和差網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)C波段4×4寬帶微帶陣列天線的二維波束和差,本文設(shè)計(jì)的C波段寬帶微帶單脈沖陣列天線工作帶寬1.2 GHz,最大增益18.4 dB,副瓣電平≤-17 dB,差零深≤-23 dB,性能良好。